軟弱圍巖隧道銑挖步序優(yōu)化研究

陳航，王喆，蘆杰，李軍，許鴻運(yùn)

軟弱圍巖隧道銑挖步序優(yōu)化研究

陳航1，王喆2，蘆杰2，李軍3，許鴻運(yùn)3

(1. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511458；2. 紹興市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，浙江 紹興 312000；3. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

銑挖法是一種采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割隧道掌子面圍巖的隧道開挖工法，不同的銑挖步序?qū)鷰r穩(wěn)定性的影響也存在差異。針對(duì)此問題，考慮到懸臂式掘進(jìn)機(jī)的設(shè)備條件并參考國內(nèi)隧道工程已經(jīng)采用的銑挖步序，確定4種銑挖步序方案，使用有限元分析軟件abaqus對(duì)4種不同的銑挖步序方案進(jìn)行數(shù)值模擬，再運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法，對(duì)4種方案模擬的結(jié)果進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明：先從中間豎直開槽，再水平開挖的銑挖步序?qū)鷰r擾動(dòng)最小。

隧道；銑挖步序；abaqus；灰色關(guān)聯(lián)分析法

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷推進(jìn)，我國隧道里程總長度位于世界前列。截至2016年底統(tǒng)計(jì)，我國公路隧道總里程達(dá)496.63萬公里[1]，我國鐵路隧道總里程達(dá)1.412萬公里[2]。隧道作為公路或鐵路工程的控制性工程，隧道的穩(wěn)定性更是重中之重。對(duì)于隧道的施工開挖方法，常用的鉆孔爆破法對(duì)施工周圍的環(huán)境影響大，施工過程中超、欠挖問題嚴(yán) 重[3]，銑挖法是一種采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割隧道掌子面圍巖的隧道施工工藝，銑挖法具備對(duì)圍巖的擾動(dòng)小且超、欠挖問題控制較好，施工過程相對(duì)更安全，開挖輪廓圓順等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)隧道施工開挖后地表沉降及圍巖的擾動(dòng)變形控制要求高的工程項(xiàng)目，近年來逐漸會(huì)采用銑挖法完成施工[4]，且施工效率尚可，如杭州紫之隧道銑挖施工速度可達(dá)3 m/d[5]，或采用銑挖法和其他工法聯(lián)合施工。目前，隨著銑挖法開挖隧道的工程經(jīng)驗(yàn)不斷積累和國內(nèi)外學(xué)者對(duì)銑挖法施工工藝的研究，已經(jīng)在各方面取得了一定的經(jīng)驗(yàn)和成果。Jagieaao等[6]對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度140 MPa的巖石完成切割試驗(yàn)。王渭明等[7]分析優(yōu)選了半煤巖巷道快速綜掘截割順序；李國等[8]綜合考慮安全和效率2個(gè)方面，研究隧道上臺(tái)階分左右2次銑挖時(shí)，通過對(duì)2種工況7種方案數(shù)值模擬的結(jié)果綜合分析并做出了評(píng)價(jià)，得出2種工況所對(duì)應(yīng)的合理銑挖順序。王新明[9]提出銑挖與鉆爆法聯(lián)合施工時(shí)，上臺(tái)階采用銑挖法應(yīng)遵循由下往上的原則進(jìn)行開挖。目前的研究并未涉及隧道上臺(tái)階采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)整體開挖時(shí)，不同的銑挖步序?qū)λ淼绹鷰r穩(wěn)定性的影響。懸臂式掘進(jìn)機(jī)銑挖隧道，并沒有規(guī)定的銑挖掘進(jìn)步序，理論上來說有無數(shù)種銑挖步序，但不同的銑挖步序不僅影響開挖效率，還會(huì)影響隧道開挖后圍巖的穩(wěn)定性。本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)隧道工程已采用的銑挖步序，利用有限元分析軟件abaqus對(duì)不同方案的銑挖步序進(jìn)行模擬，結(jié)合圍巖穩(wěn)定性的判定標(biāo)準(zhǔn)，并引入灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)模擬的結(jié)果綜合評(píng)價(jià)，確定有利于隧道圍巖穩(wěn)定的合理銑挖步序，為后續(xù)類似工程提供借鑒。

1 銑挖步序方案

在國內(nèi)，懸臂式掘進(jìn)機(jī)最開始是應(yīng)用于煤礦開采，之后才逐漸應(yīng)用于隧道的開挖。隨著懸臂式掘進(jìn)機(jī)功能的不斷完善和相應(yīng)輔助工藝的不斷改進(jìn)，截至目前已采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)順利開挖多條隧道。懸臂式掘進(jìn)機(jī)銑挖隧道施工工法，對(duì)圍巖擾動(dòng)小，減小了對(duì)施工周圍環(huán)境的影響。但受限于現(xiàn)有懸臂式掘進(jìn)機(jī)的設(shè)備條件，工程實(shí)踐表明，懸臂式掘進(jìn)機(jī)一般適用于圍巖單軸抗壓強(qiáng)度40~60 MPa的地層，在60 MPa以上的較硬巖層開挖則顯得比較吃力[10]。對(duì)于圍巖強(qiáng)度較低的隧道工程，為保證工程安全一般選擇臺(tái)階法進(jìn)行施工。本文參考國內(nèi)已采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)銑挖隧道工程中的銑挖步序，結(jié)合懸臂式掘進(jìn)機(jī)設(shè)備條件，總結(jié)了4種銑挖路徑的方案，采用銑挖法開挖隧道上臺(tái)階部分，如圖1所示(圖中數(shù)字表示銑挖步序路徑)。第1套方案為切割頭從左往右切割，按照從下到上的順序進(jìn)行開挖；第2套方案為水平循環(huán)切割；第3套方案為切割頭從下往上切割，按照從左到右的順序進(jìn)行開挖；第4套方案先在隧道中線從下往上豎直開挖中槽，再按照第1套方案的順序完成開挖。4種方案中銑挖起始位置或銑挖方向的差異必然會(huì)引起開挖后隧道圍巖受到不同程度的擾動(dòng)，下文將介紹優(yōu)選出其中合理步序的方法。

(a) 方案1；(b) 方案2；(c) 方案3；(d) 方案4

2 圍巖穩(wěn)定性判定標(biāo)準(zhǔn)

綜上所述，本文旨在探討和研究4種方案中不同的銑挖步序?qū)鷰r穩(wěn)定性的影響，影響隧道圍巖穩(wěn)定性的因素非常復(fù)雜，既包括隧道的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，又與隧道開挖的工法、支護(hù)、隧道的斷面形式尺寸、隧道埋深等密切相關(guān)。本文著重分析懸臂式掘進(jìn)機(jī)銑挖步序的對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響，其他條件在創(chuàng)建數(shù)值模擬計(jì)算模型時(shí)取相同的參數(shù)，即視為一致。分析圍巖穩(wěn)定性的客觀判定標(biāo)準(zhǔn)主要有位移值和圍巖巖體單元安全度這2個(gè)方面。具體包括了拱頂沉降、周邊收斂、拱頂單元體安全度、拱腰單元體安全度4個(gè)指標(biāo)。其中拱頂沉降、周邊收斂可以通過數(shù)值模擬的結(jié)果直接查詢獲得具體的數(shù)值。巖體單元安全度則需要根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果做相應(yīng)的計(jì)算獲得。根據(jù)文獻(xiàn)[11]，對(duì)于巖石介質(zhì)，滿足Drucker-Prager準(zhǔn)則屈服條件的巖體破壞安全系數(shù)F可通過式(1)求得，

式中：1為第一應(yīng)力不變量；2為應(yīng)力偏量第二不變量，1，2和3均為主應(yīng)力；，為與巖石內(nèi)摩擦角和黏聚力有關(guān)的試驗(yàn)常數(shù)，當(dāng)與庫倫六邊形的外頂點(diǎn)重合時(shí)，它們與和的關(guān)系為：

綜上，總結(jié)了隧道圍巖穩(wěn)定性的判定標(biāo)準(zhǔn)以及對(duì)應(yīng)參數(shù)的求取方法。

3 基于灰色關(guān)聯(lián)分析的方案優(yōu)選

根據(jù)前文確定的4種銑挖方案以及與圍巖穩(wěn)定性相關(guān)的4個(gè)判定標(biāo)準(zhǔn)，要優(yōu)選出最有利于圍巖穩(wěn)定的銑挖方案，必須要綜合分析4種方案各自對(duì)應(yīng)的4個(gè)判定標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)數(shù)值。上述問題屬于多因素綜合比選問題，灰色關(guān)聯(lián)分析法是一種對(duì)各影響因素作用程度進(jìn)行量化比較的有效工具，本文將采用灰色關(guān)聯(lián)分析法來求解此問題，具體分析評(píng)價(jià)步驟如下：

將制定的4個(gè)銑挖方案視為4個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，4個(gè)與圍巖穩(wěn)定性有關(guān)的判定標(biāo)準(zhǔn)視為4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)(評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn))。這樣便形成原始數(shù)據(jù)矩陣，

矩陣中，Z()表示第個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象中對(duì)應(yīng)的第的評(píng)價(jià)指標(biāo)的參數(shù)值，即每一行元素代表著一種方案對(duì)應(yīng)的4個(gè)判定標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)值。

第1步，確定參考數(shù)列。為了準(zhǔn)確直觀的進(jìn)行比較，需要確定參考數(shù)列，參考數(shù)列是一個(gè)理想的比較標(biāo)準(zhǔn)，是以各評(píng)價(jià)指標(biāo)的最優(yōu)值構(gòu)成的數(shù)列，可設(shè)0={0(1)，0(2)，0(3)，0(4)}表示參考數(shù)列。上述4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的最優(yōu)值分為2種類型。一種為評(píng)價(jià)指標(biāo)的參數(shù)數(shù)值越大則越優(yōu)的效益型參數(shù)，此類型指標(biāo)包括拱頂單元體安全度和拱腰單元體安全度；另一種為評(píng)價(jià)指標(biāo)的參數(shù)數(shù)值越小則越優(yōu)的成本型參數(shù)，此類型指標(biāo)包括拱頂沉降和周邊收斂。根據(jù)上述評(píng)價(jià)指標(biāo)最優(yōu)值的確定標(biāo)準(zhǔn)，便可從原始數(shù)據(jù)矩陣中獲得參考數(shù)列。至此，將參考數(shù)列0寫入矩陣的第一行，構(gòu)成新的評(píng)價(jià)矩陣，見式(7)。

第2步，無量綱化處理，建立新的矩陣。由于不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的參數(shù)的賦值量級(jí)存在差別，需要對(duì)矩陣元素進(jìn)行無量綱化處理，無量綱化處理的方法包括很多種，本文采用的無量綱化處理的函數(shù)如式(8)和式(9)。式(8)為越大越優(yōu)效益型指標(biāo)無量綱化的處理函數(shù)，式(9)為越小越優(yōu)成本型指標(biāo)無量綱化的處理函數(shù)。

式中：i()表示指標(biāo)的實(shí)際數(shù)值；C()表示指標(biāo)無量綱化處理后的數(shù)值，min()表示第個(gè)指標(biāo)中包含的所有實(shí)際值的最小值，max()表示第個(gè)指標(biāo)中包含的所有實(shí)際值的最大值。通過上述方法對(duì)矩陣中的每個(gè)元素進(jìn)行處理，便可以得到矩陣，見 式(10)。

第3步，關(guān)聯(lián)度計(jì)算。將0={0()=1,2,3,4}作為參考數(shù)列，C={C()=1,2,3,4}作為比較數(shù)列。計(jì)算第個(gè)銑挖方案的第個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)C()與其對(duì)應(yīng)的最優(yōu)指標(biāo)0()的關(guān)聯(lián)系數(shù)，用()表示，計(jì)算方法如下式(11)，

式中：表示分辨系數(shù)，?[0,1]，一般取0.5[12]，其作用在于提高關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的差異顯著性。環(huán)境參數(shù)Δmin和Δmax按式(12)和式(13)計(jì)算：

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度分析法模型，關(guān)聯(lián)度記為γi，其表達(dá)式為：

式中：()表示各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，一般根據(jù)工程實(shí)際情況來取值，且所有評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重之和等于1。這里根據(jù)實(shí)際情況，拱頂沉降、周邊收斂、拱頂巖體單元安全度、拱腰巖體單元安全度的權(quán)重分別取1=0.3，2=0.3，3=0.2，4=0.2。

第4步，評(píng)選最優(yōu)方案。根據(jù)以上步驟可以計(jì)算比較序列和參考序列的相似程度，即得到4種方案與理想方案的接近程度，關(guān)聯(lián)度的數(shù)值越大，則表明該方案相對(duì)其他方案更有優(yōu)勢(shì)，更加合理。

4 工程算例分析

懸臂式掘進(jìn)機(jī)適用于圍巖強(qiáng)度較低的隧道工程的開挖，本文參照《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]中Ⅳ級(jí)圍巖物理力學(xué)指標(biāo)作為數(shù)值模擬創(chuàng)建的隧道模型的圍巖條件，如表1所示。

表1 圍巖物理力學(xué)指標(biāo)

采用大型有限元分析軟件abaqus對(duì)4種銑挖方案進(jìn)行模擬。本文建立的隧道模型最大凈空高度7.2 m，最大跨度5.6 m，采用上下臺(tái)階法開挖隧道，并利用懸臂式掘進(jìn)機(jī)開挖上臺(tái)階部分。工程中常見的懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭尺寸為976 mm×1 056 mm，截割的面積可近似按1 m2計(jì)算，每個(gè)循環(huán)開挖進(jìn)尺取0.5 m，因此將模型中的開挖部分切割成1 m×1 m×0.5 m的小塊區(qū)域。為了保證數(shù)值模擬盡可能的準(zhǔn)確，數(shù)值模擬模型應(yīng)取分析范圍的3~5倍，隧道兩側(cè)邊界各取3倍隧道最大跨度，上下邊界也各取3倍隧道最大凈空高度，隧道縱向長度取10 m，其中0~5 m部分上臺(tái)階已經(jīng)開挖完成，5~10 m部分為待開挖部分，模型總尺寸為39.2 m×50.4 m×10 m，分析模型如圖2所示，初始應(yīng)力狀態(tài)按重力場(chǎng)考慮。

圖2 計(jì)算模型

數(shù)值模擬結(jié)果獲得的各評(píng)價(jià)指標(biāo)的參數(shù)如表2所示。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果獲得的參數(shù)，分辨系數(shù)ρ取0.5；拱頂沉降、周邊收斂、拱頂巖體單元安全度、拱腰巖體單元安全度的權(quán)重分別取1=0.3，2=0.3，3=0.2，4=0.2，按照前述方法計(jì)算求出每個(gè)方案的關(guān)聯(lián)度，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)

表3 關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，4種方案的對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)度數(shù)值分別為：1=0.508 8；2=0.776 7；3=0.401 7；4= 0.806 5。方案對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)度數(shù)值越大，則表明該方案與理想方案接近程度越大，4>2>1>3，其中方案4對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)度數(shù)值最大，所以方案4為4種銑挖方案中的最優(yōu)方案，按照方案4的銑挖步序?qū)鷰r擾動(dòng)最小，更有利于隧道圍巖穩(wěn)定。

5 結(jié)論

1) 結(jié)合懸臂式掘進(jìn)機(jī)的設(shè)備條件和國內(nèi)已經(jīng)的隧道工程銑挖經(jīng)驗(yàn)，確定了4種銑挖步序方案。

2) 通過分析總結(jié)了與隧道圍巖穩(wěn)定性有關(guān)判定標(biāo)準(zhǔn)以及對(duì)應(yīng)參數(shù)的確定方法。

3) 采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法對(duì)4種方案數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得出先開挖中槽，再水平開挖的銑挖步序有利于圍巖穩(wěn)定。

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Research on optimization of milling excavation sequence of weak surrounding rock tunnel

CHEN Hang1, WANG Zhe2, LU Jie2, LI Jun3, XU Hongyun3

(1. China Railway Tunnel Group Co., Ltd, Guangzhou 511458, China;2. Shaoxing Traffic Engineering Quality and Safety Supervision Station, Shaoxing 312000, China;3. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

The milling method is one of the tunnel excavation methods that uses a boom-type road header to cut the surrounding rock of the tunnel face. There are differences in the influence of different milling steps on the stability of surrounding rock. In view of this problem, this paper considered the equipment conditions of the boom-type road header and referred to the milling steps that have been adopted in the domestic tunnel engineering to determine four milling excavation sequences. The finite element analysis software abaqus was used to simulate the four different excavation sequences and then evaluate the results of the four simulations based on the gray correlation analysis method. The results show that the excavation sequence that slots vertically in the middle and then excavates horizontally has the least disturbance to the surrounding rock.

tunnel; milling excavation sequence; abaqus; grey relational analysis

U25

A

1672 ? 7029(2020)02 ? 0429 ? 06

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190802

2019?04?28

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51678574)

李軍(1973?)，男，山東泰安人，副教授，從事高速、普速鐵路精密控制網(wǎng)建網(wǎng)理論與方法研究；E?mail：lijun_csu@csu.edu.cn

(編輯 涂鵬)